JPH087896A

JPH087896A - アルカリ二次電池

Info

Publication number: JPH087896A
Application number: JP6144318A
Authority: JP
Inventors: Takeo Ito; 武男伊藤; Katsuya Kumagai; 勝哉熊谷; Eiichi Wakai; 栄一若井; Kunihiko Miyamoto; 邦彦宮本
Original assignee: Toshiba Battery Co Ltd
Current assignee: FDK Twicell Co Ltd
Priority date: 1994-06-27
Filing date: 1994-06-27
Publication date: 1996-01-12
Anticipated expiration: 2015-01-31
Also published as: JP3005423B2

Abstract

(57)【要約】【目的】活物質の保持力が向上され、かつ強度が向上さ
れた結合剤を含む正極を備えたアルカリ二次電池を提供
することを目的とする。【構成】水酸化ニッケル粉末及び結合剤を含むペースト
を導電性芯体に充填した構造を有する正極１と、負極２
と、前記正極１と前記負極２との間に介装されるセパレ
ータ３と、アルカリ電解液とを備えたアルカリ二次電池
において、前記正極１の結合剤は、アクリル酸又はアク
リル酸塩とビニルアルコールとの共重合体を含むことを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はペースト式ニッケル正極
を備えたアルカリ二次電池に関し、更に詳しくは前記正
極の結合剤を改良したアルカリ二次電池に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】アルカリ二次電池の一例である円筒形ニ
ッケル水素二次電池は、ニッケル正極と水素吸蔵合金負
極との間にセパレータを介装して渦巻状に捲回して作製
された電極群をアルカリ電解液と共に容器内に収納した
構造を有する。従来、前記ニッケル正極は、カーボニル
ニッケル粉末を成形、焼結することにより作製された焼
結基板にニッケル塩溶液を含浸させ、これを化成する、
いわゆる焼結式方法により製造される。しかしながら、
前記焼結式ニッケル正極は、前記焼結基板の製造や、前
記焼結基板への前記溶液の含浸の際に極めて繁雑な操作
を必要とするために量産性が劣るという問題点があっ
た。

【０００３】このようなことから、前記二次電池におい
てペースト式ニッケル正極が広く用いられている。前記
ペースト式ニッケル正極は、活物質である水酸化ニッケ
ル粉末を結合剤を用いて分散させてペースト状にし、前
記ペーストを例えば三次元網状多孔体からなる導電性芯
体に充填した後、これを乾燥し、圧延した後、所望のサ
イズに切断することにより製造される。

【０００４】前記結合剤としては、従来、例えばカルボ
キシメチルセルロース、ポリテトラフルオロエチレン、
ポリアクリル酸塩、ポリビニルアルコールなどが用いら
れている。

【０００５】しかしながら、前記結合剤は前記活物質の
保持力が劣るため、前記結合剤を含む正極から活物質が
脱落し、脱落した活物質が前記負極と接触して内部短絡
を生じるという問題点があった。また、前記結合剤の前
記活物質の保持力が劣ると、前記正極を捲回する際に前
記正極にクラックが生じて前記正極から前記導電性芯体
が遊離しやすい。このため、前記正極を前記負極及び前
記セパレータと共に捲回して前記電極群を作製する際
に、前記正極からの活物質の脱落が極めて多かった。

【０００６】更に、前記結合剤は強度が劣るため、前記
二次電池を充電した際に前記正極が膨潤する。その結
果、前記二次電池の内圧の上昇や前記電解液の漏液が生
じるため、前記二次電池の容量が低下し、サイクル寿命
が低下するという問題点があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来の問題を
解決するためになされたもので、活物質の保持力が向上
され、かつ強度が向上された結合剤を含む正極を備えた
アルカリ二次電池を提供しようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、水酸化ニッケ
ル粉末及び結合剤を含むペーストを導電性芯体に充填し
た構造を有する正極と、負極と、前記正極と前記負極と
の間に介装されるセパレータと、アルカリ電解液とを備
えたアルカリ二次電池において、前記正極の結合剤は、
アクリル酸又はアクリル酸塩とビニルアルコールとの共
重合体を含むことを特徴とするアルカリ二次電池であ
る。

【０００９】本発明に係わるアルカリ二次電池を図１を
参照して説明する。ニッケル正極１は、負極２との間に
合成樹脂繊維製のセパレータ３を介装して捲回され、有
底円筒状の容器４内に収納されている。前記負極２は電
極群の最外周に配置されて前記容器４と電気的に接触し
ている。アルカリ電解液は、前記容器４内に収容されて
いる。中央に穴６を有する円形の封口板７は、前記容器
４の上部開口部に配置されている。リング状の絶縁性ガ
スケット８は、前記封口板７の周縁と前記容器４の上部
開口部内面の間に配置され、前記上部開口部を内側に縮
径するカシメ加工により前記容器４に前記封口板７を前
記ガスケット８を介して気密に固定している。正極リー
ド９は、一端が前記正極１に接続、他端が前記封口板７
の下面に接続されている。帽子形状をなす正極端子１０
は、前記封口板７上に前記穴６を覆うように取り付けら
れている。ゴム製の安全弁１１は、前記封口板７と前記
正極端子１０で囲まれた空間内に前記穴６を塞ぐように
配置されている。

【００１０】前記正極１は、水酸化ニッケル粉末と、導
電剤と、結合剤と、水を含むペーストを調製し、前記ペ
ーストを導電性芯体に充填し、これを乾燥、加圧成形し
た後、所望のサイズに切断又は打抜きをすることにより
製造される。

【００１１】前記水酸化ニッケル粉末は、亜鉛及びコバ
ルトが金属ニッケルと共に共沈されて固溶体として含む
ものを許容する。前記結合剤は、アクリル酸又はアクリ
ル酸塩とビニルアルコールとの共重合体単独からなる
か、前記共重合体と別のポリマーとの混合物からなる。

【００１２】前記共重合体としては、具体的には住友化
学工業株式会社製の商品名がスミカゲルＬ−５Ｈなどの
直鎖型構造を有するもの、住友化学工業株式会社製の商
品名がスミカゲルＳ−５０，スミカゲルＳ−８０，スミ
カゲルＳ−１００，スミカゲルＳＰ−５１０，スミカゲ
ルＳＰ−５２０などの三次元架橋型構造を有するものを
挙げることができる。前記直鎖型の共重合体は、前記ペ
ーストの流動性を向上させる。一方、前記三次元架橋型
の共重合体は溶解性が劣るものの、前記ペーストの吸水
性及び粘性を向上させる。前記三次元架橋構造を有する
共重合体は、前記正極１の電解液の吸水性を向上できる
ため、好適である。前記三次元架橋構造を有する共重合
体の中でも、前記スミカゲルＳＰ−５２０を用いること
が好ましい。

【００１３】前記アクリル酸塩とビニルアルコールとの
共重合体のアクリル酸塩としては、アクリル酸ナトリウ
ム塩、アクリル酸カリウム塩、アクリル酸リチウム塩な
どの１価のものを挙げることができる。中でも、前記ア
クリル酸ナトリウム塩とビニルアルコールとの共重合体
が好ましい。また、前記アクリル酸塩とビニルアルコー
ルとの共重合体の吸水性は、前記共重合体にアクリル酸
カルシウム塩などの２価のアクリル酸塩を少量共重合さ
せて分子内に架橋構造を導入することにより調節するこ
とができる。

【００１４】前記アクリル酸又はアクリル酸塩とビニル
アルコールとの共重合体には親水性や強度を調節する目
的で撥水性を有するスチレンや弾力性を有するブタジエ
ンなどを少量共重合させても良い。

【００１５】前記アクリル酸又はアクリル酸塩とビニル
アルコールとの共重合体は、アクリル酸エステルと酢酸
ビニルとを共重合させた後、これをケン化することによ
り製造することができる。なお、前記共重合体は未反応
のアクリル酸エステルや酢酸ビニルを共重合体成分とし
て含むことを許容する。

【００１６】前記共重合体と併用するポリマーとして
は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、
ポリエチレン、ポリプロピレン等の疎水性ポリマー、例
えばカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、メチルセ
ルロース（ＭＣ）、ヒドロキシプロピルメチルセルロー
ス（ＨＰＭＣ）、例えばポリアクリル酸ナトリウム（Ｓ
ＰＡ）などのポリアクリル酸塩、ポリビニルアルコール
（ＰＶＡ）、ポリエチレンオキシド等の親水性ポリマ
ー、例えばラッテクス等のゴム系ポリマーを挙げること
ができる。特に、前記疎水性ポリマーと前記親水性ポリ
マーを用いることが好ましい。かかる疎水性ポリマーと
親水性ポリマーの中でも、ポリテトラフルオロエチレン
と、カルボキシメチルセルロースとメチルセルロースと
ポリビニルアルコールから選ばれる１種以上を用いるこ
とがより好ましい。なお、前記ポリエチレンや前記ポリ
プロピレンはディスパージョンの形態で用いられる。

【００１７】前記アクリル酸又はアクリル酸塩とビニル
アルコールとの共重合体単独からなる結合剤は、前記水
酸化ニッケル粉末１００重量部に対して０．２重量部〜
１０重量部添加することが望ましい。これは次のような
理由によるものである。前記添加量が０．２重量部未満
になると、前記正極の強度が低下する恐れがあるため、
前記水酸化ニッケル粉末が前記正極から脱落して前記負
極と接触し、内部短絡を生じる恐れがある。一方、前記
添加量が１０重量部を越えると、前記ペーストが増粘す
る恐れがあるため、前記ペーストに添加される水の量が
増加して前記正極の活物質密度が低下する恐れがある。
特に、前記結合剤は、前記水酸化ニッケル粉末１００重
量部に対して０．３重量部〜３重量部添加することがよ
り好ましい。

【００１８】結合剤が前記共重合体及び前記ポリマーと
の混合物からなる場合、前記共重合体は前記水酸化ニッ
ケル粉末１００重量部に対して０．０５〜５重量部添加
し、前記ポリマーは前記水酸化ニッケル粉末１００重量
部に対して０．１〜５重量部添加することが望ましい。
これは次のような理由によるものである。前記共重合体
の添加量が０．０５重量部未満になると、前記結合剤の
強度が低下する恐れがある。一方、前記共重合体の添加
量が５重量部を越えると、正極中の活物質密度が低下す
る恐れがあるため、電池容量などの電池性能が劣化する
恐れがある。また、前記ポリマーの添加量が０．１重量
部未満になると、前記ペーストの流動性及び安定性が低
下する恐れがある。一方、前記ポリマーの添加量が５重
量部を越えると、前記二次電池の内圧特性が低下する等
電池性能に重大な支障をきたす恐れがある。特に、前記
共重合体の添加量を０．１重量部〜２．０重量部の範囲
にし、前記ポリマーの添加量を０．３重量部〜３重量部
の範囲にすることがより好ましい。

【００１９】前記導電剤としては、例えば酸化コバル
ト、水酸化コバルト等のコバルト化合物を挙げることが
できる。前記導電性芯体としては、例えばニッケル繊維
焼結体、フェルト状ニッケル多孔体、スポンジ状ニッケ
ル多孔体等の三次元構造を有する多孔体基板を挙げるこ
とができる。

【００２０】前記負極２は、負極活物質に導電材を添加
し、結合剤及び水と共に混練してペーストを調製し、前
記ペーストを導電性基板に充填し、乾燥した後、成形す
ることにより製造される。

【００２１】前記負極活物質としては、例えば金属カド
ミウム、水酸化カドミウムなどのカドミウム化合物、水
素吸蔵合金を挙げることができる。中でも、水素吸蔵合
金を用いることが好ましい。前記水素吸蔵合金として
は、格別制限されるものではなく、電解液中で電気化学
的に発生させた水素を吸蔵でき、かつ放電時にその吸蔵
水素を容易に放出できるものであればよい。例えばＬａ
Ｎｉ₅ 、ＭｍＮｉ₅ （Ｍｍとは、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎ
ｄ，Ｓｍなどのランタン系元素の混合物であるミッシュ
メタルを意味する）、ＬｎＮｉ₅ （Ｌｎ；ランタン富化
したミッシュメタル）、及びこれらのＮｉの一部をＡ
ｌ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｂの
ような元素で置換した多元素系のもの、又はＴｉＮｉ
系、ＴｉＦｅ系のものを挙げることができる。中でも、
一般式ＬｎＮｉ_x Ｍｎ_y Ａ_z （ただし、ＡはＡｌ，Ｃｏ
から選ばれる少なくとも一種の金属、原子比ｘ，ｙ，ｚ
はその合計値が４．８≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦５．４を示す）で
表される水素吸蔵合金を用いることが望ましい。

【００２２】前記結合剤としては、例えば、アクリル酸
又はアクリル酸塩とビニルアルコールとの共重合体、例
えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエ
チレン、ポリプロピレンなどの疎水性ポリマー、例えば
カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、メチルセルロ
ース（ＭＣ）、ヒドロキシプロピルメチルセルロース
（ＨＰＭＣ）、例えばポリアクリル酸ナトリウム（ＳＰ
Ａ）などのポリアクリル酸塩、ポリビニルアルコール、
ポリエチレンオキシドなどの親水性ポリマー、例えばラ
ッテクスなどのゴム系ポリマーを挙げることができる。
なお、前記ポリエチレンや前記ポリプロピレンはディス
パージョンの形態で用いられる。

【００２３】前記導電材としては、カーボンブラックを
挙げることができる。前記導電性基板としては、パンチ
ドメタル、エキスパンデッドメタル、穿孔剛板、ニッケ
ルネットなどの二次元基板や、フェルト状金属多孔体
や、スポンジ状金属多孔体などの三次元基板を挙げるこ
とができる。

【００２４】前記セパレータ３としては、例えば、ポリ
アミド繊維製不織布、ポリエチレンやポリプロピレンな
どのポリオレフィン繊維製不織布に親水性官能基を付与
したものを挙げることができる。

【００２５】前記アルカリ電解液としては、例えば水酸
化ナトリウム（ＮａＯＨ）と水酸化リチウム（ＬｉＯ
Ｈ）の混合液、水酸化カリウム（ＫＯＨ）とＬｉＯＨの
混合液、ＫＯＨとＬｉＯＨとＮａＯＨの混合液等を用い
ることができる。

【００２６】

【作用】本発明のアルカリ二次電池によれば、水酸化ニ
ッケル粉末及び結合剤としてアクリル酸又はアクリル酸
塩とビニルアルコールとの共重合体を含むペーストを導
電性芯体に充填した構造を有する正極を備えることによ
って、前記共重合体は、例えばアクリル酸又はアクリル
酸塩の吸着性官能基であるＣＯＯＨ基、ＣＯＯＭ基（Ｍ
はＮａ，Ｋ，Ｌｉ，Ｃａから選ばれる一種以上の元素を
示す）及びビニルアルコールの吸着性官能基であるＯＨ
基を有するため、従来の結合剤よりも吸着性官能基の種
類を多くすることができる。その結果、前記複数の吸着
性官能基は前記水酸化ニッケル粉末に吸着する箇所がそ
れぞれ異なり、前記導電性芯体に接着された前記共重合
体は前記水酸化ニッケル粉末の様々な箇所に吸着するこ
とができるため、前記水酸化ニッケル粉末を前記導電性
芯体に強固に捕捉することができる。従って、前記水酸
化ニッケル粉末が前記正極から脱落するのを防止するこ
とができ、前記正極を備えた二次電池の内部短絡を防止
することができる。

【００２７】また、前記共重合体は強度が高いため、前
記二次電池を充電した際に前記正極が膨潤するのを防止
することができる。その結果、前記二次電池の内圧上昇
を抑制することができ、かつ電解液の漏液を防止するこ
とができるため、前記二次電池のサイクル寿命を向上す
ることができる。

【００２８】更に、前記共重合体を含む結合剤は、単一
のモノマーの重合体からなる従来の結合剤に比べて柔軟
性が優れているため、前記共重合体を含む正極の柔軟性
を向上することができ、前述した図１に示す渦巻状の電
極群を作製する際の正極の捲回性を向上することができ
る。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の実施例を前述した図１を参照
して詳細に説明する。実施例１まず、金属換算で２重量％の亜鉛と２重量％のコバルト
が含有され、かつ平均粒径が１８μｍの球状水酸化ニッ
ケル粉末９０重量部に、一酸化コバルト１０重量部と、
下記表１に示すように結合剤として住友化学工業株式会
社製で商品名がスミカゲルＳＰ−５２０のアクリル酸ナ
トリウム塩とビニルアルコールとの共重合体（ＳＰＡ−
ＰＶＡ共重合体）３重量部を添加した。これに純水６０
重量部を添加して混練し、ペーストを調製した。

【００３０】次いで、前記ペーストを導電性芯体として
の焼結繊維基板内に塗工、充填した後、乾燥し、ローラ
プレスによって圧延することにより厚さが０．６ｍｍ
で、単位体積当りの容量が６７０ｍＡＨ／ｃｃの正極を
作製した。

【００３１】また、組成が式ＬｎＮｉ_4.0 Ｃｏ_0.4 Ｍｎ
_0.3 Ａｌ_0.3 で表される水素吸蔵合金粉末１００重量部
に対してポリアクリル酸ナトリウム０．５重量部、カル
ボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）０．１２５重量部、
ポリテトラフルオロエチレンのディスパージョン（比重
１．５，固形分６０ｗｔ％）２．５重量部及び導電材と
してカーボン粉末１．０重量部を水５０重量部と共に混
合することによって、ペーストを調製した。このペース
トをパンチドメタルに塗布、乾燥した後、加圧成型する
ことによって水素吸蔵合金負極を作製した。

【００３２】次いで、前記正極と前記負極との間にポリ
アミド繊維製不織布からなるセパレータを介装し、これ
らを渦巻状に捲回して電極群を作製した。このような電
極群と、ＫＯＨとＬｉＯＨとの組成比が７：１であるＫ
ＯＨ及びＬｉＯＨからなる電解液を有底円筒状容器に収
納して前述した図１に示す構造を有する容量が１１００
ｍＡＨのＡＡサイズの円筒形ニッケル水素二次電池を組
み立てた。実施例２〜６正極の結合剤として前記ＳＰＡ−ＰＶＡ共重合体と、ポ
リテトラフルオロエチレン微粉末（ＰＴＦＥ）、カルボ
キシメチルセルロース（ＣＭＣ）、メチルセルロース
（ＭＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）から選ばれ
る１種類以上のポリマーを下記表１に示すような配合割
合で用いた以外、実施例１と同様な構成で容量が１１０
０ｍＡＨのＡＡサイズの円筒形ニッケル水素二次電池を
組み立てた。比較例１〜４正極の結合剤として日本純薬株式会社製で商品名がレオ
ジックのポリアクリル酸ナトリウム（ＳＰＡ）と、ＰＴ
ＦＥ、ＣＭＣ、ＭＣ、ＰＶＡから選ばれる１種類以上の
ポリマーを下記表１に示すような配合割合で用いた以
外、実施例１と同様な構成で容量が１１００ｍＡＨのＡ
Ａサイズの円筒形ニッケル水素二次電池を組み立てた。

【００３３】

【表１】

【００３４】得られた実施例１〜６及び比較例１〜４の
二次電池について、室温で４８時間放置し、０．２ＣＡ
の電流で１５０％充電した後、１Ｖまで放電する工程を
２回繰り返した。ひきつづき、１Ｃで１５０％充電した
後、１Ｖまで放電する充放電サイクルを３サイクル行
い、電池容量を測定し、その結果を下記表２に示す。更
に前記充放電サイクルを繰り返し、２０サイクル目の正
極の膨潤率、内圧、作動電圧、漏液発生率、内部短絡発
生率を測定し、その結果を下記表２に併記する。

【００３５】また、実施例１〜６及び比較例１〜４の二
次電池について、１０ｍＶ作動電圧が低下する時に充電
電流をカットする１Ｃ充電をした後、１Ｃ放電をする充
放電サイクルを繰り返してサイクル寿命（２０℃）を測
定し、その結果を下記表２に併記する。

【００３６】更に、実施例１〜６及び比較例１〜４の正
極のペーストを室温で３日間放置し、ペーストの凝集状
態を外観から相対的に良好、やや凝集、凝集の３段階評
価し、その結果を下記表３に示す。

【００３７】実施例１〜６及び比較例１〜４の正極を直
径が４．０ｍｍの巻芯軸に捲回した後、これを巻き戻す
工程を３回繰り返し、前記正極からの前記水酸化ニッケ
ル粉末の脱落量（相対量）を測定し、その結果を下記表
３に併記する。

【００３８】

【表２】

【００３９】

【表３】

【００４０】表２及び表３から明らかなように、結合剤
としてアクリル酸ナトリウム塩とビニルアルコールとの
共重合体を含む正極を備えた実施例１〜６の二次電池
は、電池容量及び作動電圧が高く、かつ長寿命で、更に
正極の膨潤率、正極の活物質の脱落量及び電池内圧が低
く、電解液の漏液及び内部短絡発生率が皆無であること
がわかる。また、実施例１〜６の二次電池は、正極のペ
ーストの保存安定性が高いことがわかる。これに対し、
前記共重合体が添加されていない正極を備えた比較例１
〜４の二次電池は、実施例１〜６の二次電池に比べて電
池容量及び作動電圧が低く、かつサイクル寿命が短く、
更に正極の膨潤率、正極の活物質の脱落量、電池内圧、
電解液の漏液及び内部短絡発生率が高いことがわかる。
また、比較例１〜４の二次電池は、正極のペーストの保
存安定性が劣ることがわかる。

【００４１】なお、前記実施例では円筒形ニッケル水素
二次電池に適用した例を説明したが、角形ニッケル水素
二次電池にも同様に適用できる。また、前記二次電池の
容器内に収納された電極群は渦巻き形に限らず、正極、
セパレータ及び負極をこの順序で複数積層した形態にし
ても良い。

【００４２】

【発明の効果】以上詳述したように本発明のアルカリ二
次電池によれば、保存安定性が優れたペーストを有する
正極を備え、かつ正極の活物質の脱落が低減されて内部
短絡が生じるのを防止することができ、更に正極の膨潤
が抑制されて内圧が上昇するのを抑制することができ、
電解液の漏液が生じるのを防止することができ、サイク
ル寿命を向上することができる等の顕著な効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るアルカリ二次電池を示す斜視図。

【符号の説明】

１…正極、２…負極、３…セパレータ、４…容器、７…
封口板、８…絶縁ガスケット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮本邦彦東京都品川区南品川３丁目４番10号東芝電池株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水酸化ニッケル粉末及び結合剤を含むペ
ーストを導電性芯体に充填した構造を有する正極と、負
極と、前記正極と前記負極との間に介装されるセパレー
タと、アルカリ電解液とを備えたアルカリ二次電池にお
いて、前記正極の結合剤は、アクリル酸又はアクリル酸
塩とビニルアルコールとの共重合体を含むことを特徴と
するアルカリ二次電池。
【請求項２】前記アクリル酸又はアクリル酸塩とビニ
ルアルコールとの共重合体は三次元架橋構造を有するこ
とを特徴とする請求項１記載のアルカリ二次電池。